近年来随着大型水利水电工程的兴建以及非常规油气资源的勘探开发,工程尺度岩体渗透特性研究的重要性愈发提高。岩石在荷载作用下发生变形直至损伤破裂的过程伴随极其复杂的力学行为。一方面,由于岩石材料自身存在细观尺度的缺陷,导致了材料非线性,不同岩样的试验曲线和材料参数极其离散;另一方面,岩体通常是由大量不连续结构面切割而成的复杂裂隙网络体系,节理裂隙的发育程度往往决定了岩体的力学特征。与此同时,工程岩体又通常赋存于应力场、渗流场、温度场等共同形成并相互作用的地质环境中,围岩与地下水之间存在复杂的流固耦合问题。尤其在开挖卸荷过程中一旦围岩发生损伤破裂,伴随着裂隙的发育,积蓄的应变能以声发射形式向外耗散,应力场不断转移,渗流通路不断改变,导致渗流场动态变化;渗流场的改变又进一步影响应力场的分布,在应力-渗流相互作用下,共同决定了岩体的破裂形式和渗流通道的发育形态。本文的研究完成了以下主要内容:(1)根据损伤力学和统计强度理论,对现有真实破坏分析方法RFPA(RealisticFailure Process Analysis)进行扩展细化,建立能够完整反应岩石损伤-渗透-能量耗散的全路径破坏分析方法。分别对弹性、损伤、接触、分离状态的单元扩展出完整的荷载-损伤路径,并结合不同的材料本构模型,将其推广到三维形式。较为成功的描述了岩石不同的破裂形态、裂隙反复张开闭合、裂隙面以及破裂块体之间相互咬合、相互锁定、再次破碎等复杂的力学行为。(2)建立了损伤过程渗流模型。充分考虑单元损伤历史和当前应力-应变水平对渗透性的综合影响;针对单元损伤的各个阶段,给出统一、连续的渗流模型表述。精细的模拟了渗流条件下岩体的损伤发育、裂隙开闭、声发射前兆、渗流通道的发育与改变、应力-渗流场耦合作用下诱导的裂隙转向等现象。(3)在唐春安提出的RFPA方法和以往研究者卓越成果的基础之上,引入现代软件设计方法,借鉴现有成熟CAE工程软件的设计开发思路,从底层开始全新开发了岩体工程分析系统REAS(Rock Engineering Analysis System)。以C#语言为主开发了用户交互界面;使用跨平台图形库OpenGL开发了高性能的图形可视化系统;采用C++和Fortran开发了网格的剖分、计算和分析程序,并自行设计了脚本语言对逻辑关系进行控制。(4)讨论了节理岩体宏观渗透性的尺度效应。基于DFN(DiscreteFractureNetwork)方法生成节理裂隙网络来表征岩体随机缺陷,获得了不同尺度下岩体渗透系数的变化规律。通过数值手段再现并解释了渗流的方向性和随机性与尺度效应的关系,比较了材料强度和渗透性对样本尺度的敏感性,并给出了数值计算中渗透性参数换算的修正公式。本文还讨论了围压水平、三轴荷载、节理密度、各向异性渗流等因素对渗透性尺度效应的影响,并尝试解释引发渗透性尺度效应的内在机理,总结出影响岩体渗透性尺度效应的关键因素。(5)分别讨论了完整脆性岩块与节理岩体在破裂过程中的渗透性曲线与能量耗散规律。数值试验表明,岩块压裂后渗透性的激增、能量释放高峰与峰值荷载几乎同步;而节理岩体往往在峰后数倍峰值应变处才形成完全贯穿岩体的渗流通道。将声发射激增作为渗透性突跳前兆,从机理上验证了微震监测预防突水事故的有效性。(6)以胶州湾海底隧道工程为背景建立数值仿真模型,探讨了隧道开挖穿越断层破裂带过程中围岩损伤、渗流通道发育以及微震前兆之间的联系。对超前钻孔探水、地层注浆加固以及注浆堵水效果评价进行了精细的数值模拟施工,并与工程实例的监测结果进行了对比分析。